Come è fatto un SSD
L’hardware SSD è un concentrato di tecnologia, ma in effetti sono pochi gli elementi principali che lo compongono:
La maggior parte della complessità tecnologica si concentra all'interno del controller e dei moduli di memoria NAND, il resto è di ingegneria elettrica “standard” di circuiti stampati sul PBC.
Dando un’occhiata allo schema di funzionamento di un SSD notiamo un organizzazione funzionale estremamente semplice:
Nella rappresentazione semplificata compaiono quindi il controller con la sua cache, e gli 8 moduli di memoria.
Il controller altro non è che una CPU in miniatura con un determinato numero di core (nel Samsung 840 PRO preso ad esempio: 3) e con una determinata frequenza di lavoro (in questo caso 300MHz ciascuno).
La CPU ha un modulo di memoria dedicata – la cache o DRAM - costituita da una memoria DDR (in questo caso la memoria è di tipo DDR2 – 1066 MHz, con una capacità di 512Mb).
8 singoli canali collegano il controller e il modulo di memoria, fungendo da pipe per lo scambio di informazioni. Quasi tutti i moderni SSD hanno 8 canali, ma non tutti gli SSD hanno 8 moduli di memoria; alcuni SSD ospitano solo 6 modulo di memoria lasciando 2 canali liberi. Questa condizione, come vedremo impatta sulla velocità.[/FONT] [FONT=&]Nel semplice schema presentato, 8 canali e 8 moduli di memoria, NAND Flash, contenenti i dati memorizzati.
Ogni costruttore ha un approccio diverso all’architettura delle NAND Flash ed un proprio design. Quindi non c’è nessuna guida a dettare le regole di costruzione o standard, saranno i prodotti stessi a decretare la bontà o meno del costruito.
Detto questo, le basi rimangono costanti per tutta la parte consumer del settore, mentre più o meno tutte le aziende hanno in cantiere delle soluzioni innovative.
Come è fatta una "NAND Flash?"
L'industria degli SSD è come un sistema feudale. In cima abbiamo i potenti, cioè le aziende con le fabbriche di lavorazione del silicio: Micron/Intel Toshiba e Samsung. Sono gli stessi produttori delle memorie DRAM. Nel mezzo e in fondo abbiamo altri contendenti, che si riforniscono dai "potenti". Hynix,, Corsair, Kingston, Plextor, Crucial e SanDisk hanno i loro impianti, anche se ognuno gioca un ruolo differente nel mercato retail e come fornitori dei "pesci più piccoli". Una cosa è sicura: possedere un impianto produttivo è un vantaggio economico e tecnico.
(Christopher Ryan, 04 luglio, 2013).
La memoria NAND Flash può essere vista come una sorta di un opposto della RAM (Random Access Memory), che, come tutti sapete, è un tipo di memoria volatile, utilizzata per memorizzare temporaneamente i dati. In un'applicazione, ad esempio, la RAM viene spesso utilizzato per memorizzare le cose come i dati strutturali del programma o le variabili all'interno del mondo virtuale, come in un gioco. L’utilizzo della RAM riduce il deficit della velocità di archiviazione, che è notevolmente più lento in presenza di un hard disk.La parola "volatile" ha un significato particolare in quanto si riferisce a qualsiasi tipo di memoria elettronica che mantiene le informazioni solo in presenza di una alimentazione. Questo tipo di memoria è incredibilmente veloce ed è gestita direttamente dalla CPU del pc mediante un controller dedicato (e integrato) IMC.
La memoria non-volatile è rappresentata da un tipo di memoria che conserva permanentemente i dati.
Mentre in un disco rigido la memorizzazione permanente avviene attraverso la magnetizzazione del supporto, per le NAND Flash è l’elettricità a creare i segnali….o bit.
La singola cella NAND è costituita infatti da una “porta logica” in cui elettricamente gli elettroni si spostano dal substrato (che funge da serbatoio) alla superficie della porta logica. L’elemento di controllo posto sulla porta è capace di rilevare lo stato elettrico della cella mandando l’informazione al controller: 0/1 assenza/presenza di segnale.
La differenza di potenziale innescata nel substrato, fatto di materia, crea un ossidazione, e gli elettroni liberati si muovono verso la superficie (della porta). L’impoverimento di elettroni, dopo un numero prevedibile di volte che vengono liberati, determina nel tempo – attraverso cicli continui di cancellazione/programmazione – l’esaurimento della cella.
In termini più semplici, i dati memorizzati nella memoria flash NAND sono rappresentati da cariche elettriche che sono memorizzate in ogni singola cella NAND.
La tecnologia delle celle NAND Flash è nata secondo uno schema molto simile allo schema presentato prima, per poi evolversi. La differenza tra Single-Level Cell (SLC) e Multi-Level Cell (MLC) NAND consiste in quanti bit ogni cella NAND può memorizzare in una sola volta.
Oltre alla “miniaturizzazione”, i produttori di celle si stanno muovendo verso tipologie differenti. Samsung ha messo a punto e distribuito le celle three-level cell (TLC) ovvero delle celle che contengono 3 bit anziché 2. L’utilizzo di queste ha permesso a Samsung di offrire dei prodotti meno durevoli ma molto capienti.
Attualmente tutta la tecnologia produttiva è volta alla messa a punto di una tipologia di cella chiamata 3D NAND (o VNAND). Sono celle a sviluppo verticale e non planare come una cella classica (SLC o MLC) La porta logica in queste celle è un cilindretto che si erge verticalmente e attorno al quale sono sistemati le superfici che accolgono o scaricano gli elettroni; ogni porta logica gestisce più substrati, con una densità prima impensabile.
Il numero, o litografia del processo di fabbricazione, è indicativo invece della più piccola incisione nel silicio sul semiconduttore che la fabbrica può fare (pensate a questo come un "taglio" o "fetta" di silicio)…. 16nm è un traguardo enorme per la miniaturizzazione laser.
Una litografia più piccola ha impatti sulle dimensioni dei transistor. Transistor più piccoli hanno un requisito di tensione più bassa, che a cascata influisce sulle altre caratteristiche dell’hardware, come il consumo o la temperatura (parametri termici e TDP).
A seconda del tipo di cella e della grandezza litografica della singola cella NAND, queste si trovano, sul PBC, raggruppate in un modulo di memoria o chip, con una propria capacità di stoccaggio.
Questa capacità rappresenta uno degli elementi che differenzia maggiormente un produttore di SSD da un altro. E visto che la grandezza litografica della cella (30, 25, 20, 19 e ora 16 nm di Crucial, determina quante celle sono contenute in ogni modulo di memoria, ecco che, con il progredire della tecnologia, si stanno ottenendo maggiori capacità di stoccaggio, con lo stesso numero di moduli di memoria.
L’hardware SSD è un concentrato di tecnologia, ma in effetti sono pochi gli elementi principali che lo compongono:
- Il Controller.
- La cache DRAM.
- I chip NAND in silicio per la memorizzazione dei dati.
- Le resistenze, induttori, e condensatori.
- I connettori SATA.
- Un fondo Printed Circuit Board (PCB).
- La scocca in metallo o plastica
La maggior parte della complessità tecnologica si concentra all'interno del controller e dei moduli di memoria NAND, il resto è di ingegneria elettrica “standard” di circuiti stampati sul PBC.
Dando un’occhiata allo schema di funzionamento di un SSD notiamo un organizzazione funzionale estremamente semplice:
Nella rappresentazione semplificata compaiono quindi il controller con la sua cache, e gli 8 moduli di memoria.
Il controller altro non è che una CPU in miniatura con un determinato numero di core (nel Samsung 840 PRO preso ad esempio: 3) e con una determinata frequenza di lavoro (in questo caso 300MHz ciascuno).
La CPU ha un modulo di memoria dedicata – la cache o DRAM - costituita da una memoria DDR (in questo caso la memoria è di tipo DDR2 – 1066 MHz, con una capacità di 512Mb).
8 singoli canali collegano il controller e il modulo di memoria, fungendo da pipe per lo scambio di informazioni. Quasi tutti i moderni SSD hanno 8 canali, ma non tutti gli SSD hanno 8 moduli di memoria; alcuni SSD ospitano solo 6 modulo di memoria lasciando 2 canali liberi. Questa condizione, come vedremo impatta sulla velocità.[/FONT] [FONT=&]Nel semplice schema presentato, 8 canali e 8 moduli di memoria, NAND Flash, contenenti i dati memorizzati.
Ogni costruttore ha un approccio diverso all’architettura delle NAND Flash ed un proprio design. Quindi non c’è nessuna guida a dettare le regole di costruzione o standard, saranno i prodotti stessi a decretare la bontà o meno del costruito.
Detto questo, le basi rimangono costanti per tutta la parte consumer del settore, mentre più o meno tutte le aziende hanno in cantiere delle soluzioni innovative.
Come è fatta una "NAND Flash?"
L'industria degli SSD è come un sistema feudale. In cima abbiamo i potenti, cioè le aziende con le fabbriche di lavorazione del silicio: Micron/Intel Toshiba e Samsung. Sono gli stessi produttori delle memorie DRAM. Nel mezzo e in fondo abbiamo altri contendenti, che si riforniscono dai "potenti". Hynix,, Corsair, Kingston, Plextor, Crucial e SanDisk hanno i loro impianti, anche se ognuno gioca un ruolo differente nel mercato retail e come fornitori dei "pesci più piccoli". Una cosa è sicura: possedere un impianto produttivo è un vantaggio economico e tecnico.
(Christopher Ryan, 04 luglio, 2013).
La memoria NAND Flash può essere vista come una sorta di un opposto della RAM (Random Access Memory), che, come tutti sapete, è un tipo di memoria volatile, utilizzata per memorizzare temporaneamente i dati. In un'applicazione, ad esempio, la RAM viene spesso utilizzato per memorizzare le cose come i dati strutturali del programma o le variabili all'interno del mondo virtuale, come in un gioco. L’utilizzo della RAM riduce il deficit della velocità di archiviazione, che è notevolmente più lento in presenza di un hard disk.La parola "volatile" ha un significato particolare in quanto si riferisce a qualsiasi tipo di memoria elettronica che mantiene le informazioni solo in presenza di una alimentazione. Questo tipo di memoria è incredibilmente veloce ed è gestita direttamente dalla CPU del pc mediante un controller dedicato (e integrato) IMC.
La memoria non-volatile è rappresentata da un tipo di memoria che conserva permanentemente i dati.
Mentre in un disco rigido la memorizzazione permanente avviene attraverso la magnetizzazione del supporto, per le NAND Flash è l’elettricità a creare i segnali….o bit.
La singola cella NAND è costituita infatti da una “porta logica” in cui elettricamente gli elettroni si spostano dal substrato (che funge da serbatoio) alla superficie della porta logica. L’elemento di controllo posto sulla porta è capace di rilevare lo stato elettrico della cella mandando l’informazione al controller: 0/1 assenza/presenza di segnale.
La differenza di potenziale innescata nel substrato, fatto di materia, crea un ossidazione, e gli elettroni liberati si muovono verso la superficie (della porta). L’impoverimento di elettroni, dopo un numero prevedibile di volte che vengono liberati, determina nel tempo – attraverso cicli continui di cancellazione/programmazione – l’esaurimento della cella.
In termini più semplici, i dati memorizzati nella memoria flash NAND sono rappresentati da cariche elettriche che sono memorizzate in ogni singola cella NAND.
La tecnologia delle celle NAND Flash è nata secondo uno schema molto simile allo schema presentato prima, per poi evolversi. La differenza tra Single-Level Cell (SLC) e Multi-Level Cell (MLC) NAND consiste in quanti bit ogni cella NAND può memorizzare in una sola volta.
Oltre alla “miniaturizzazione”, i produttori di celle si stanno muovendo verso tipologie differenti. Samsung ha messo a punto e distribuito le celle three-level cell (TLC) ovvero delle celle che contengono 3 bit anziché 2. L’utilizzo di queste ha permesso a Samsung di offrire dei prodotti meno durevoli ma molto capienti.
Attualmente tutta la tecnologia produttiva è volta alla messa a punto di una tipologia di cella chiamata 3D NAND (o VNAND). Sono celle a sviluppo verticale e non planare come una cella classica (SLC o MLC) La porta logica in queste celle è un cilindretto che si erge verticalmente e attorno al quale sono sistemati le superfici che accolgono o scaricano gli elettroni; ogni porta logica gestisce più substrati, con una densità prima impensabile.
Il numero, o litografia del processo di fabbricazione, è indicativo invece della più piccola incisione nel silicio sul semiconduttore che la fabbrica può fare (pensate a questo come un "taglio" o "fetta" di silicio)…. 16nm è un traguardo enorme per la miniaturizzazione laser.
Una litografia più piccola ha impatti sulle dimensioni dei transistor. Transistor più piccoli hanno un requisito di tensione più bassa, che a cascata influisce sulle altre caratteristiche dell’hardware, come il consumo o la temperatura (parametri termici e TDP).
A seconda del tipo di cella e della grandezza litografica della singola cella NAND, queste si trovano, sul PBC, raggruppate in un modulo di memoria o chip, con una propria capacità di stoccaggio.
Questa capacità rappresenta uno degli elementi che differenzia maggiormente un produttore di SSD da un altro. E visto che la grandezza litografica della cella (30, 25, 20, 19 e ora 16 nm di Crucial, determina quante celle sono contenute in ogni modulo di memoria, ecco che, con il progredire della tecnologia, si stanno ottenendo maggiori capacità di stoccaggio, con lo stesso numero di moduli di memoria.
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